西门子G120在抓斗起重机控制中的应用

西门子G120在抓斗起重机控制中的应用

摘要：本文结合紫金矿业集团珲春多金属有限公司的2台抓斗起重机项目，介绍了西门子G120变频调速系统在抓斗起重机中的控制方式、参数设置;并通过两台G120的主从控制模式，结合PLC的逻辑控制，实现了开闭和升降电机在满抓过程中的力矩平衡。

关键词：抓斗起重机;变频调速系统;PLC控制;参数设置;主从控制模式;力矩平衡

前言

起重机在工业生产中有广泛应用，用来实现物体在三维空间中的转运。其中水平面上两个方向的运动分别由大、小车完成，称为行走系统;而垂直方向的运动则由起升机构负责。大多数的起重机通过吊钩与被运物体相连，而当被运物体为粉状或小颗粒状时，则需要通过抓料斗，这就是抓斗起重机。其中专门负责升、降运动的电机称为升降电机，另一台开闭电机除了负责抓斗的打开和闭合（放料和抓料）外，抓斗升降时，它还会同升降电机一起出力。

抓斗起重机的抓斗传动系统由开闭机构、升降机构两部分组成，通过钢丝绳与各自的滚筒联接，两者之间没有任何电气联锁，也无法加装合适的检测开关，在抓斗起重机运行过程中，满抓启升过程是技术关键，也是操作难点，在满抓启升过程中，抓斗升降、开闭电机容易出现受力不均匀的情况，需要起重机操作员靠经验点动调整抓斗升降及抓斗开闭钢丝绳的松紧度，并掌握抓斗提升电机投入运行的时机，如果抓斗开闭电机的钢丝绳太松，易造成抓斗料斗漏料;如果抓斗升降电机的钢丝绳太松，则开闭电动机单独受力过载，容易引起电机损坏或钢丝绳断裂。此过程要求起重机操作员具有较强的操作经验和较高的操作技巧，而且需要操作员精神集中，劳动强度大。本文根据实际项目介绍一种操作简单、安全可靠的控制方法来解决这一实际困难。

1.系统整体概述

抓斗桥式起重机主要由桥架、小车、运行机构、司机室、抓斗及电控设备等部分组成。

本项目起重机的起重重量16吨，起升高度19.5米，跨度31.5米，起升开闭速度4-40米/分钟，大车行走速度9.45-94.5米/分钟。抓取的物料为精铜矿和石英砂，采用3.2立方米容量的抓斗。大车由2台15kw的变频电机驱动，小车由2台4kw的变频电机驱动，开闭和起升机构各由一台75Kw的变频电机驱动;开闭升降变变频器配置分别由功率单元6SL3224-0BE38-

8UA0、控制单元6SL3246-0BA22-1BA0、控制面板6SL3255-0AA00-4CA1组成。控制系统主要由PLC、变频器、联动操作台等组成。PLC采集手柄控制器信号，经过程序进行逻辑判断，依据判断结果调节变频器的输出，来控制驱动电机的方向、转速。在变频器分配方面，大车小车的变频器都采用一拖二的方式，即一台变频器同时驱动两台电机;开闭和起升各采用一台变频器进行矢量主从控制。

2.系统控制原理

大车小车分别设有正反向和三档速度可调，变频器采用V/F控制方式，速度调节为固定速度调节，通过司机室左边的操作手柄进行操作。起升和开闭也分别设正反向和三档速度可调，起升设有转矩和速度切换控制，起升和开闭变频器采

用带变频器的矢量控制方式。

传统的满抓功能的实现，是开闭电机全速闭合，升降电机处于反接状态，同时转子又接入大电阻，由此产生的反向低力矩仅能拉紧支持绳。实际上电阻器的计算比较粗略及选型及制造上的误差，力矩的给定值不能调整，因而造成现场满抓功能的实现困难。

为了实现自动满抓功能，在变频调速控制系统中，我们采用了西门子G120变频器系列的CU250S-2控制单元的主从控制功能结合PLC的逻辑控制功能。

我们把开闭电机作为主轴，起升电机作为从轴，为实现力矩平衡和满抓功能，从轴的力矩给定值通过PLC控制继电器在主轴的力矩实际值输出和PLC的给定值之间切换。满抓操作时，操作员把主轴变频器打到三档闭合状态，抓斗快速闭合，此时PLC把从轴变频器转换到力矩工作模式，并把从轴的力矩值切换到由PLC的模拟量输出口给定。PLC给定从轴一个向上的小力矩既能使升降钢丝绳保持张紧状态又能使钢丝绳不脱槽。由于给定的力矩很小不足以维持不断增加的物料和抓斗自身重量抓斗会下降，在抓斗闭合过程中斗不断沉入料堆，使得抓取更多的物料，从而实现自动满抓功能。

抓斗完全闭合上升时，当PLC检测到开闭变频器AO1口输出的力矩值大于力矩平衡设定值时输出信号把升降变频器的力矩给定值切换到由开闭电机变频器AO0给定。即升降变频器跟随开闭变频器的输出力矩，达到力矩平衡，而不需要靠起重机操作员凭经验来判断抓斗升降电机投入运行的时机，抓斗升降和开闭钢丝绳受力平均，使抓斗匀速上升。而在满抓过程中，满抓启升过程时间短、抓料量稳定而且运行平稳没有冲击，既摆脱了对操作员经验的依赖，又降低了操作员的劳动强度，提高了工作质量。开闭升降变频器的参数设定如下表一、表二：

表一：开闭变频器参数设定

表二：升降变频器参数设定

3.系统硬件设计

本系统硬件由西门子314CPU、西门子G120变频器、操作手柄、继电器等组成。

3.1变频器控制

PLC的逻辑输出通过继电器隔离连接到变频器的输入点控制变频器的启停、调速、转矩/速度切换。开闭变频器的模拟量输出AO0通道与升降变频器模拟量输入AI0通道实现主从连接;开闭变频器的AO1通道信号输入到PLC的模拟量模块，通过PLC程序处理转变为转矩限幅后由PLC的模拟量模块通道输出给定到升降变频器的AI1通道。

图一：升降变频器控制原理图

图二：开闭变频器控制原理图

3.2 PLC硬件配置

PLC的数字量输入点有操作手柄的信号，数字量输出点有变频器的方向和速度切换，模拟量输入输出点分别是主轴力矩实际值和从轴力矩给定值。PLC 选用西门子的S7-314C PN/DP，并分别选了一个数字量输入输出模块做系统的连锁控制。PLC的硬件配置图如下：

图三：PLC硬件组态图

4.结束语

2台抓斗起重机在珲春多金属有限公司的安装调试运行以来，设备一直稳定可靠，与普通抓斗起重机相比具有对机械设备冲击小，调速平稳，大大降低操作员的劳动强度和操作难度，减少了岗位对操作经验的依赖，并具有维修维护简单，维修费用低的特点。

作者简介：

欧阳伦云（1974—），男，湖南省洞口县人，湖南株洲天桥起重机股份有限公司，电气工程师，学士，起重机械的电气设计、研发、项目管理及参与等工作。